AELCIO ZANGRANDI
UM ESTUDO SOBRE O ENDURECIMENTO, O PROCESSAMENTO E PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UMA LIGA DE ALUMÍNIO DA
SÉRIE 3XXX TIPO AA 3104 COM ADIÇÕES DE ZINCO
Tese apresentada ao Departamento de Materiais e Tecnologia da Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Livre-Docente em Propriedades Mecânicas dos Materiais, do Curso de Pós-Graduação.
Z29e Zangrandi, Aelcio Um estudo sobre o endurecimento, o processamento e
propriedades mecânicas de uma liga de alumínio da série 3xxx do tipo AA 3104 com adições de zinco / Aelcio Zangrandi.-
Guaratinguetá : [s.n.], 2006 140f.: il.
Bibliografia: f. 134-140
Tese (Livre-Docência) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, 2006
1. Metalurgia de liga de alumínio I. Título
UNESP UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá UM ESTUDO SOBRE O ENDURECECIMENTO, O PROCESSAMENTO E PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UMA LIGA DE ALUMÍNIO DA SÉRIE
3XXX DO TIPO AA 3104 COM ADIÇÕES DE ZINCO
AELCIO ZANGRANDI
ESTA TESE FOI JULGADA ADEQUADA COMO PARTE DOS REQUISITOS PARA A OBTENÇÃO DO TÍTULO DE
“LIVRE-DOCENTE EM PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS”
DEPARTAMENTO: MATERIAIS E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: PROJETOS E MATERIAIS
BANCA EXAMINADORA:
Prof. Dr. Dirceu Spinelli USP- São Carlos
Prof. Dr. Helio Goldenstein USP - São Paulo
Prof. Dra. Cecília Amélia de Carvalho Zavaglia UNICAMP - DEMa
Prof. Dr. Ruis Camargo Tokimatsu UNESP-FEIS
Prof. Dr. Luiz Rogério de Oliveira Hein UNESP- FEG
DADOS CURRICULARES AELCIO ZANGRANDI
NASCIMENTO 16.04.1947 – GUARATINGUETÁ / SP
FILIAÇÃO José Zangrandi
Maria Molina Zangrandi
1969/1973 Curso de Graduação em Engenharia Mecânica,
Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá – UNESP
1977/1983 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de Mestrado, no Instituto Tecnológico de Aeroanáutica – ITA (São José dos Campos, SP)
IV
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar agradeço a Deus, fonte da vida, que me concedeu as forças e a luz necessárias para enfrentar e vencer desafios, e por ter permitido que encontrasse a colaboração de pessoas amigas em determinadas fases deste trabalho.
Ao meus pais José Zangrandi e Maria Molina Zangrandi (in memoriam), que
apesar das dificuldades, sempre me incentivaram nos estudos, sem os quais seria praticamente impossível a realização deste trabalho.
À Novelis do Brasil Ltda. que disponibilizou o Laboratório de Espectometria de Emissão Ótica, para a realização das análises químicas das amostras, e o Centro de Tecnologia da Latas, para a execução dos ensaios de tração.
Ao engenheiro Wailton de Carvalho assim como aos técnicos do Laboratório de Espectometria de Emissão Ótica Gabriel e Ewerton, pela realização das análises químicas, e ao engenheiro Marcelo Moura Pires, pela execução dos ensaios de tração.
Ao Departamento de Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia de Lorena, USP , que disponibilizou o laminador de alta precisão, possibilitando realizar os processos de laminação a quente e a frio da liga, além do Laboratório de Microscopia Eletrônica de Varredura, para a realização das análises da microestruturais das amostras.
Em particular, ao professor Dr. Carlos Alberto Baldan, pela realização da laminação a quente e a frio da liga, e ao professor Dr. Durval Rodrigues Júnior, pela análise microestrutural das amostras com auxílio do MEV.
Ao Departamento de Materiais e Tecnologia da Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, UNESP, pela realização dos tratamentos térmicos e confecção dos corpos de prova utilizados nos ensaios de tração.
Ao professor Dr. Rogerio de Oliveira Hein pelo tratamento estatístico e análise das imagens obtidas por MEV.
Particularmente, aos técnicos Odir Vieira da Silva, Eli de Almeira Fornitano e José Manoel Bernardes pela confecção dos corpos de prova de tração.
VI
Nenhuma mente que se abre para uma nova idéia voltará a ter o tamanho original.
ZANGRANDI, A. Um estudo sobre o endurecimento, o processamento e propriedades mecânicas de uma liga de alumínio da série 3xxx do tipo AA 3104 com adições de zinco. 2006. 140f. Tese (Livre-Docência em Propriedades Mecânicas dos Materiais) − Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade
Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2006.
RESUMO
Modificações na composição química e no processamento termomecânico têm sido algumas das várias alternativas estudadas, para melhorar o desempenho de ligas de alumínio tradicionais. Neste trabalho foi modificada a composição de uma liga Al-Mn-Mg do tipo AA 3104, endurecível por deformação, adicionando-se diversos teores de zinco, transformando-a numa liga Al-Mn-Mg-(Zn), endurecível por precipitação. O objetivo foi estudar e quantificar os efeitos do zinco sobre o processamento termomecânico e as propriedades mecânicas da liga modificada. Ligas com teores de zinco entre 0,03 a 1,52% foram fundidas e processadas obtendo-se um encruamento semelhante a condição H-19 industrial, denominada rota R. Ligas com teores de zinco entre 1,14 a 2,17% foram fundidas e processadas segundo três diferentes rotas: na rota S, o recozimento da rota R foi substituído por solubilização antes da laminação a frio; nas rotas E3H e E6H, as tiras laminadas a frio foram envelhecidas em dois estágios: 121ºC por três horas para as duas rotas, mais três horas para a rota E3H e seis para a rota E6H a 163 ºC. A tensão de escoamento (σe) e a resistência à tração (σt) para a
rota R aumentaram da ordem de 18% e 19%, respectivamente, com o aumento do teor de zinco, enquanto o alongamento (ε) permaneceu em torno de 4,5%. As propriedades
mecânicas σe, σt eε aumentaram em torno de 25%, 31% e 27%, respectivamente, para
a rota S. Considerando concentrações aproximadamente iguais de zinco, não foram verificadas diferenças significativas para σe e σt entreas rotas R e S, no entanto, a rota
S apresentou alongamento médio maior que a rota R da ordem 44%. Os menores valores de σe e σt e os maiores valores deε foram obtidos para a rota E6H.
VIII
ZANGRANDI, A. A study on the hardening, processing and mechanical properties of a 3xxx series aluminum alloy of the type AA 3104 with zinc additions. 2006. 140p. Thesis (Post-Doctorate in Mechanical Properties of the Materials) − Faculty of Engineering of the Guarainguetá Campus, University of the
São Paulo State, Guaratinguetá, 2006.
ABSTRACT
Modifications in the chemical composition and on thermomechanical processing have been among various alternatives to improve the performance of the traditional alloys. In this work the composition of a Al-Mn-Mg non-heat treatable alloy of the type AA3104 has been modified by the addition of various zinc contents to transform it in a Al-Mn-Mg-(Zn) precipitation heat treating alloy. The aim of this work was to study and to value the effects of zinc additions on thermoechanical processing and mechanical properties of the modified alloy. In the R route, alloys containing zinc, varying from 0.03 to 1.52%, after cast were processed to achieve a cold rolled condition similar to industrial H19 temper. Alloys containing zinc, varying from 1.14 to 2.17%, after cast were processed according to three different routes: a) the S route substituted the annealing of the R route by solution heat treatment and quenching, before cold rolling; b) for E3H and E6H routes, the cold rolling strips were heat treated in two-step aging, which consisted of 3 h at 121ºC for two routes, plus 3 h at 163 ºC for E3H and 6 h for E6H. It was found that for R route the yield strength (σe) and the
ultimate tensile strength (σt) increased on average for 18% and 19%, respectively, as
the zinc content increased from 0.03 to 1.52%, whereas the elongation (ε) held almost
constant on average for 4,5%. The mechanical properties σe, σt and ε for S route
increased about 25%, 31% and 27%, respectively. Aproximately equal amounts of zinc didn't cause significative differences for σe and σt amongSand R routes, however, the
average elongation of the S route was higher than R route about 44%. The lowest values for σe and σt and consequentlythehighest for ε were obtained for E6H route.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ... ... XII LISTA DE TABELAS ... .. XVI LISTA DE QUADROS ... VXIII LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS ... .. XIX
1 INTRODUÇÃO... ...1
1.1 OBTENÇÃO DO ALUMÍNIO - ASPECTOS HISTÓRICOS ... ...1
1.2 EVOLUÇÃO DA INDÚSTRIA DO ALUMÍNIO NO BRASIL ... ...2
1.3 PRODUÇÃO E CONSUMO DO ALUMÍNIO - TENDÊNCIA MUNDIAL ... ...4
1.4 LIGAS DE ALUMÍNIO - CONSIDERAÇÕES GERAIS ... ...5
1.5 JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS DO TRABALHO ... ...8
1.5.1 Justificativa ... ...8
1.5.2 Objetivos ... ...10
2 LIGAS DE ALUMÍNIO... ...11
2.1 ELEMENTOS FORMADORES DAS LIGAS DE ALUMÍNIO ... ...11
2.2 SOLUBILIDADE DE DIVERSOS ELEMENTOS QUÍMICOS NO ALUMÍNIO ... ...12
2.3 CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS DAS LIGAS D ALUMÍNIO ... ...14
2.4 IDENTIFICAÇÃO DAS LIGAS DE ALUMÍNIO ... ...15
2.4.1 Introdução ... ...15
2.4.2 Identificação das ligas de alumínio fundidas ... ...15
2.4.3 Designação dos tratamentos térmicos das ligas de alumínio fundidas ... ...17
2.4.4 Identificação das ligas de alumínio trabalhadas ... ...18
2.4.5 Designação dos tratamentos térmicos das ligas trabalhadas ... ...19
2.4.5.1 Designação dos tratamentos térmicos das ligas endurecíveis por precipitação ... ...20
2.4.5.2 Designação do endurecimento das ligas endurecíveis por deformação a frio ... ...22
3 METALURGIA DAS LIGAS DE ALUMÍNIO ... ...25
3.1 INTRODUÇÃO ... ...25
3.2 FORMAÇÃO DE SEGUNDA FASE − CONSIDERAÇÕES GERAIS... ...25
3.3 ENDURECIMENTO DAS LIGAS NÃO TRATÁVEIS TERMICAMENTE ... ...27
3.3.1 Introdução ... ...27
3.3.2 Processos de endurecimento ... ...29
3.3.2.1 Endurecimento por solução sólida ... ...29
3.3.2.2 Endurecimento por dispersão de partículas de segunda fase ... ...31
3.3.2.3 Endurecimento por refino do tamanho de grão ... ...32
X
3.3.2.5 Endurecimento por deformação plástica a frio ou encruamento ... ...34
3.4 ENDURECIMENTO DAS LIGAS TRATÁVEIS TERMICAMENTE .. ...36
3.4.1 Introdução ... ...36
3.4.2 Tratamento térmico de solubilização ... ...37
3.4.3 Tratamentos térmicos de precipitação natural e artificial ... ...38
3.4.3.1 Precipitação ou envelhecimento natural ... ...38
3.4.3.2 Precipitação ou envelhecimento artificial ... ...38
3.4.4 Mecanismos de precipitação ... ...40
3.4.4.1 Precipitação heterogênea ... ...40
3.4.4.2 Precipitação heterogênea ... ...43
3.4.5 Mecanismos de endurecimento das ligas tratáveis termicamente ... ...45
3.4.5.1 Mecanismo de endurecimento por zonas de G-P ... ...45
3.4.5.2 Mecanismo de endurecimento por precipitados coerentes ... ...46
3.4.5.3 Mecanismo de endurecimento por precipitados incoerentes ... ...47
3.5 TRATAMENTOS TERMOMECÂNICOS ... ...48
3.5.1 Introdução ... ...48
3.5.2 Tratamento termomecânico final ... ...50
3.6 PROCESSAMENTO DAS CHAPAS DA LIGA DE ALUMÍNIO AA3104 ... ...52
3.6.1 Introdução ... ...52
3.6.2 Tratamento térmico de homogeneização ... ...53
3.6.2.1 Considerações iniciais ... ...53
3.6.2.2 Tratamento de homogeneização da liga Al-Mn-Mg do tipo AA 3104 .... ...54
3.6.2.3 Tratamento de homogeneização da liga Al-Zn-Mg-Cu ... ...56
3.6.3 Laminação a quente ... ...58
3.6.3.1 Considerações iniciais ... ...58
3.6.3.2 Evolução da microestrutura e textura da liga Al-Mn-Mg laminada a quente ... ...59
3.6.4 Laminação a frio ... ...61
4 MATERIAL E MÉTODOS ......64
4.1 PREPARAÇÃO DA LIGA AA 3104 COM ADIÇÕES DE ZINCO ... ...64
4.1.1 Introdução ... ...64
4.1.2 Matéria prima e fundição da liga ... ...64
4.1.3 Vazamento do metal líquido e identificação dos lingotes ... ...65
4.1.4 Preparação das amostras para análises químicas ... ...66
4.1.5 Análises químicas ... ...67
4.1.6 Usinagem dos lingotes brutos de fusão ... ...67
4.1.7 Tratamento térmico de homogeneização ... ...69
4.2 AVALIAÇÃO DO EFEITO ENDURECEDOR DO ZINCO NA LIGA ...69
4.2.1 Considerações iniciais ... ...69
4.2.2 Solubilização dos discos ... ...70
4.2.3 Tratamento térmico de envelhecimento ou precipitação ... ...70
4.2.4 Monitoramento dos tratamento térmicos ... ...73
4.3 LAMINAÇÃO A QUENTE DOS LINGOTES HOMOGENEIZADOS ...73
4.4 PROCESSAMENTO A FRIO DAS PLACAS LAMINADAS A
QUENTE ... ...75
4.4.1 Recozimento das placas do lote R ... ...76
4.4.2 Solubilização das placas do lote S ... ...76
4.4.3 Laminação a frio ... ...76
4.5 ENSAIOS MECÂNICOS ... ...79
4.5.1 Considerações iniciais ... ...79
4.5.2 Ensaios de dureza Vickers ... ...79
5.5.3 Ensaios de tração e corpos de prova ... ...80
4.6 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA E MICROANÁLISE ... ...81
4.6.1 Considerações iniciais ... ...81
4.6.2 Preparação das amostras e análise por MEV ... ...81
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES... ...83
5.1 RESULTADOS DAS ANÁLISES QUÍMICAS ... ...83
5.2 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE DUREZA DA LIGA HOMOGENEIZADA ... ...85
5.3 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE DUREZA DA LIGA SOLUBILIZADA ... ...87
5.4 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE DUREZA DA LIGA ENVELHECIDA ... ...89
5.5 RESULTADOS DOS ENSAIOS MECÂNICOS APÓS OS PROCESSAMENTOS ... ...94
5.5.1 Considerações iniciais ... ...94
5.5.2 Resultados dos ensaios de dureza da liga obtida segundo a rota R ... ...95
5.5.3 Resultados dos ensaios de dureza da liga obtida pelas rotas S, E3H e E6H ... ...98
5.5.4 Resultados dos ensaios de tração da liga obtida segundo a rota R .... ....101
5.5.5 Resultados dos ensaios de tração da liga obtida pelas rotas S, E3H e E6H ... ....104
5.5.6 Comparação entre as propriedades mecânicas para as quatro rotas estudadas ... ....111
5.5.6.1 Comparação da dureza ... ....111
5.5.6.2 Comparação das propriedades mecânicas de tração ... ....112
5.6 ANÁLISE DAS PARTÍCULAS DE SEGUNDA FASE POR MEV ... ....118
5.6.1 Análise de imagens ... ....118
5.6.2 Parâmetros descritores do tamanho e morfologia das partículas ... ....121
5.6.3 Constituição das partículas de segunda fase ... ....124
6 CONCLUSÕES E PROPOSTAS PARA FUTUROS TRABALHOS ....129
6.1 CONCLUSÕES ... ....129
6.2 PROPOSTAS PARA FUTROS TRABALHOS ... ....132
XII
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2.1 – Ligas de alumínio (binárias, ternárias e quaternária) formadas
com os principais elementos de liga. (DEAN, 1990, p.201) ... ...11
FIGURA 3.1 – Variação das propriedades mecânicas de tração do alumínio puro em função do teor de manganês. a) Tensão de escoamento e resistência à tração. b) Alongamento. Adaptada. (DAVIS, 2002b, fig. 26, p.44) ... ...29
FIGURA 3.2 – Efeito do magnésio sobre as propriedades mecânicas de ligas binárias Al-Mg, ligas ternárias 0,5%Mn e Al-Mg-0,9%Mn recozidas. Adaptada. (DAVIS, 2002b, fig. 4, p.34) ... ...30
FIGURA 3.3 – Representação esquemática da seqüência do mecanismo de precipitação homogênea: (a) solução sólida supersaturada, (b) precipitado coerente, (c) precipitado de transição semicoerente e (d) precipitado incoerente de equilíbrio. (HIGGINS, 1982a, p.138) ... ...45
FIGURA 3.4 – Representação esquemática do mecanismo de endurecimento por partículas coerentes. (HUMMEL, 1988, p,93) ... ...47
FIGURA 3.5 – Representação esquemática do endurecimento por partículas incoerentes pelo mecanismo de Orowan. (HUMMEL, 1988, p.92) ... ...47
FIGURA 4.1 – Recipiente para ecapsulamento do zinco granulado ... ...65
FIGURA 4.2 – Aspecto dos cinco primeiros lingotes no estado bruto de fusão após solidificados ... ...66
FIGURA 4.3 – Discos retirados da face de maiores dimensões dos lingotes fundidos, após usinados e feitas as análises químicas ... ...67
FIGURA 4.4 – Aspecto dos lingotes após usinados com as novas identificações ...68
FIGURA 4.5 – Divisão dos discos em setores circulares numerados de 1 a 4 ... ...70
FIGURA 4.7 – Esquema ilustrativo, mostrando as temperaturas e tempos utilizados no envelhecimento em dois estágios ... ...72 FIGURA 4.8 – Identificação e aspectos das placas laminadas a quente ... ...74 FIGURA 4.9 – Aspecto das tiras laminadas a frio após os três primeiros passes ...77 FIGURA 4.10 – Aspecto final de uma das metades das tiras dos lotes R e S
laminadas a frio após o recozimento parcial ... ...78 FIGURA 4.11 – Forma e dimensões (mm) dos corpos de prova utilizados para
os ensaios de tração. ASTM E 8M (2000) ... ...80 FIGURA 5.1 – Variação da dureza Vickers da liga na condição homogeneizada
em função do teor de zinco ... ...86 FIGURA 5.2 – Variação da dureza Vickers dos discos na condição solubilizada
em função da porcentagem de zinco ... ...88 FIGURA 5.3 – Variação da dureza Vickers após o envelhecimento, comparada
com a condição solubilizada, em função do teor de zinco ... ...91 FIGURA 5.4 – Gráfico ilustrativo, mostrando a variação da dureza em função
do teor de zinco, para cada tempo de envelhecimento ... ...91 FIGURA 5.5 – Variação da dureza da liga laminada a quente e ao final da rota
R, em função dos teores de zinco na faixa de 0,03 a 1,52% ... ...96 FIGURA 5.6 – Variação da dureza da liga laminada a quente e ao final das
rotas S, E3H e E6H, para os teores de zinco na faixa de 1,14 a 2,17% ... ....100 FIGURA 5.7 – Propriedades mecânicas da liga processada segundo a rota R,
em função dos teores de zinco na faixa de 0,03 a 1,52% ... ....102 FIGURA 5.8 – Variação do alongamento da liga processada segundo a rota R,
em função dos teores de zinco na faixa de 0,03 a 1,52% ... ....103 FIGURA 5.9 – Comportamento das propriedades mecânicas da liga obtida
segundo a rota S, para os teores de zinco estudados na faixa de 1,14 a 2,17% ... ....107 FIGURA 5.10 – Comportamento das propriedades mecânicas da liga obtida
XIV
FIGURA 5.11 – Comportamento das propriedades mecânicas da liga obtida segundo a rota E6H, para os teores de zinco estudados na faixa de 1,14 a 2,17% ... ....108 FIGURA 5.12 – Variação do alongamento para as rotas S, E3H e E6H, em
função dos teores de zinco estudados na faixa de 1,14 a 2,17% ....109 FIGURA 5.13 – Variação do alongamento para as rotas E3H e E6H, em função
dos teores de zinco estudados na faixa de 1,14 a 2,17% ... ....110 FIGURA 5.14 – Comparação entre os comportamentos da dureza Vickers da
liga, para as quatro rotas de processamento estudadas, em função das respectivas faixas de teores de zinco ... ....111 FIGURA 5.15 – Comparação entre os comportamentos da tensão de
escoamento da liga, para as quatro rotas de processamento estudadas, em função das respectivas faixas de teores de zinco ....113 FIGURA 5.16 – Comparação entre os comportamentos da resistência à tração
da liga, para as quatro rotas de processamento estudadas, em função das respectivas faixas de teores de zinco ... ....114 FIGURA 5.17 – Comparação entre os alongamentos obtidos para as rotas R e
S, em função das respectivas faixas estudadas de teores de zinco ... ....115 FIGURA 5.18 – Comparação entre os alongamentos obtidos para as quatro
rotas de processamento da liga, em função das respectivas faixas estudadas de teores de zinco ... ....117 FIGURA 5.19.a – Fotomicrografias das amostras com 0,03 e 0,59% de zinco,
para 6 e 12 horas de envelhecimento no segundo estágio. MEV ... ....119 FIGURA 5.19.b – Fotomicrografias das amostras com 1,14 e 2,17% de zinco,
FIGURA 5.20 – Comportamento do tamanho das partículas (área e diâmetro efetivo) em função do teor de zinco, para 6 e 12 horas de envelhecimento ... ....121 FIGURA 5.21 – Comportamento do tamanho das partículas (área) em função
do teor de zinco, para 6 e 12 horas de envelhecimento ... ....123 FIGURA 5.22 – Variação do número de partículas (globais, alongadas e
globulares) em função do teor de zinco, para 6 e 12 horas de envelhecimento ... ....123 FIGURA 5.23 – Concentrações de Fe, Mn, Mg, Zn e Si nas partículas e de Zn,
Mg e Mn na matriz obtidas por EDS, em função do teor de zinco da liga ... ....125 FIGURA 5.24 – Exemplo de um espectro de energia dispersiva (EDS) obtido
XVI
LISTA DE TABELAS
TABELA 2.1 – Limite de solubilidade de vários elementos químicos no alumínio. (BROWN; WILLEY, 1990, p.26) ... ...13 TABELA 3.1 – Temperaturas e tempos utilizados nos tratamentos térmicos de
precipitação artificial (condição T6), para três ligas de alumínio comerciais tratáveis termicamente ... ...39 TABELA 3.2 – Processos de homogeneização estudados por Kamat (1996) ... ...54 TABELA 4.1 – Correspondência entre as identificações dos lingotes antes e
após usinados, com os respectivos teores de zinco ... ...69 TABELA 4.2 – Tempos e temperaturas utilizados no tratamento de
precipitação em dois estágios dos setores circulares ... ...73 TABELA 4.3 – Índices de redução da espessura dos lingotes por cada passe na
laminação a quente ... ...74 TABELA 4.4 – Nova identificação das placas laminadas a quente, após a
usinagem das bordas, e as correlações com as identificações anteriores e respectivas dimensões finais ... ...75 TABELA 4.5 – Índices de redução da espessura das placas dos lotes R e S para
os três primeiros passes de laminação a frio ... ...77 TABELA 4.6 – Índices de redução da espessura das tiras dos lotes R e S, para
os três últimos passes, após o recozimento parcial ... ...78 TABELA 5.1.a – Resultados das análises químicas em amostras da liga
preparada para os estudos da rota R com os diversos teores de zinco ... ...83 TABELA 5.1.b – Resultados das análises químicas em amostras da liga
preparada para os estudos das rotas S, E3H e E6H com os diversos teores de zinco ... ...84 TABELA 5.2 – Dureza Vickers dos lingotes após homogeneizados ... ...85 TABELA 5.3 – Dureza Vickers dos discos (figura 4.3) na condição
TABELA 5.4 – Correlação entre porcentagens de zinco estudadas com os respectivos discos, e a formação dos quatro lotes de setores circulares ... ...89 TABELA 5.5 – Dureza Vickers dos setores circulares envelhecidos em dois
estágios ... ...90 TABELA 5.6 – Taxas médias de aumento da dureza relativas à figura 5.4, por
intervalos de teores de zinco, para os tempos estudados de envelhecimento ... ...92 TABELA 5.7 – Dureza das tiras laminadas a quente e ao final da rota R, para
os teores de zinco estudados na faixa de 0,03 a 1,52% ... ...96 TABELA 5.8 – Dureza das tiras laminadas a quente e ao final das rotas S, E3H
e E6H, para os teores de zinco estudados na faixa de 1,14 a 2,17% ... ...98 TABELA 5.9 – Propriedades mecânicas da liga processada segundo a rota R,
para os teores de zinco estudados na faixa de 0,03 a 1,52% ... ....101 TABELA 5.10 – Propriedades mecânicas da liga processada segundo as rotas
S, E3H e E6H para os teores de zinco estudados na faixa de 1,14 a 2,17% ... ....104 TABELA 5.11 – Amostras utilizadas nas análises das partículas de segunda
fase ... ....118 TABELA 5.12 – Parâmetros de tamanho e morfologia das partículas globais .... ....121 TABELA 5.13 – Parâmetros descritores do tamanho e morfologia das
partículas alongadas ... ....122 TABELA 5.14 – Parâmetros descritores do tamanho e morfologia das
partículas globulares ... ....122 TABELA 5.15 – Concentrações de Fe, Mn, Mg, Zn e Si nas partículas e de Zn,
XVIII
LISTA DE QUADROS
QUADRO 2.1 – Séries de ligas fundidas e seus principais elementos de liga ... ..16 QUADRO 2.2 – Designação dos tratamentos térmicos básicos aplicados às ligas
de alumínio fundidas ... ...17 QUADRO 2.3 – Séries de ligas trabalhadas e seus principais elementos de liga .. ...18 QUADRO 2.4 – Designação dos tratamentos térmicos básicos aplicados às ligas
de alumínio trabalhadas ...
...20 QUADRO 2.5 – Designação dos tratamentos térmicos básicos de endurecimento
por precipitação aplicados às ligas de alumínio trabalhadas ... ...21 QUADRO 2.6 – Designação das operações básicas de endurecimento aplicadas
às ligas de alumínio trabalhadas, não endurecíveis por precipitação ... ...22 QUADRO 2.7 – Significado do segundo dígito, indicativo do grau de
encruamento nas designações básicas H1, H2 e H3. (DAVIS, 2002a, p.28) ... ...23 QUADRO 2.8 – Exemplos de designações de endurecimento com três dígitos,
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
ABAL - Associação Brasileira do Alumínio CBA - Companhia Brasileira de Alumínio CFC - Cúbico de Faces Centradas
CVRD - Companhia Vale do Rio Doce
E3H - Envelhecimento de três horas no segundo estágio ao final da rota S E6H - Envelhecimento de seis horas no segundo estágio ao final da rota S EDS - Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy - Espectroscopia por dispersão de
energia de raios-X G-P - Guinier-Preston Ltda. - Limitada
mesh - Malha de peneira MG - Minas Gerais (estado) mm - Milímetro (10-3 m)
NBR - Norma Brasileira Registrada nm - Nanometro (10-9 m)
PA - Pará (estado)
RJ - Rio de Janeiro (estado)
Rota R - Processamento da liga com recozimento antes da laminação a frio Rota S - Processamento da liga com solubilização antes da laminação a frio S. A. - Sociedade Anônima
SP - São Paulo (estado)
TMT - Tratamento Mecânico Térmico ton - Tonelada (103 kg)
TTM Tratamento termomecânico
1 INTRODUÇÃO
1.1 A OBTENÇÃO DO ALUMÍNIO - ASPECTOS HISTÓRICOS
Segundo Shreve e Brink Jr. (1980), cerca de 8,05% de toda crosta sólida terrestre é constituída de alumínio. Apesar da grande quantidade do metal existente na natureza, o alumínio só é encontrado em compostos, não existe na forma livre.
O alumínio metálico foi isolado pela primeira vez pelo físico e químico dinamarquês Hans Christian Oersted em 1825. O processo de Oersted foi melhorado, posteriormente, pelo químico alemão Fredrich Wöhler, entre 1827 e 1845, tornando-o mais eficiente. No processo de Oersted, um amálgama de potássio com cloreto de alumínio anidro era aquecido, e por destilação do mercúrio do amálgama de alumínio resultante, se obtinha o alumínio. No processo de Wöhler, o amálgama de potássio foi substituído por potássio metálico, e foi desenvolvido um método mais eficiente para desidratar o cloreto de alumínio. (MCGEER, 1977).
Em 1845, Wöhler conseguiu preparar pequena quantidade de alumínio, da ordem de 32 mg, suficiente para determinar a sua massa específica e verificar que se tratava de um metal dúctil. (MCGEER, 1977).
Em 1854, Henri Sainte-Claire Deville obteve o alumínio a partir do aquecimento do cloreto duplo de sódio e alumínio juntamente com sódio metálico, substituindo assim o cloreto simples de alumínio pelo cloreto duplo e o potássio pelo sódio, um agente redutor mais barato. (SHREVE; BRINK Jr., 1980).
A produção em escala industrial do alumínio por via química pelo processo Deville foi implementada no período de 1855 a 1859, com apoio do imperador Napoleão III, prevendo a possibilidade de uso do alumínio para fins militares. (MCGEER, 1977).
O processo de obtenção do alumínio por via química foi utilizado até 1886, durante aproximadamente 35 (trinta e cinco) anos, quando foi substituído com grandes vantagens pelo processo eletrolítico, que permitiu uma redução em mais de 90% no preço do alumínio no mercado. (SHREVE; BRINK Jr., 1980).
simultaneamente em 1886 e de forma independente, na França por Paul Louis Toussaint Heroult e nos Estados Unidos por Charles Martin Hall. (MCGEER, 1977).
O processo Hall-Heroult, como se tornou conhecido, permitiu o rápido crescimento da produção do alumínio com menor custo, o que incentivou a criação de novas indústrias secundárias do alumínio e motivou paralelamente as investigações sobre as propriedades do metal com perspectivas de novas aplicações, fatores estes que contribuíram para a expansão e criação de novos mercados consumidores.
1.2 A EVOLUÇÃO DA INDÚSTRIA DO ALUMÍNIO NO BRASIL
As primeiras iniciativas para a produção do alumínio no Brasil coincidem com a criação da Elquisa – Eletro Química Brasileira S. A. localizada em Ouro Preto (MG), e da CBA – Companhia Brasileira de Alumínio localizada na cidade Alumínio (SP), antiga Mairinque, próxima a Sorocaba (SP). (HISTÓRIA..., 2006).
A Elquisa – Eletro Química Brasileira S. A. criada em 1934, por dificuldades comerciais começou a produção do alumínio definitivamente em 1938, com apoio do governo Getúlio Vargas e, somente em 1944, durante a Segunda Guerra Mundial, atingiu uma produção em escala industrial. Em 1950, a Elquisa foi adquirida pela Alcan – Aluminum of Canada Limited, a primeira empresa multinacional a ingressar no mercado brasileiro de produção do alumínio primário. (HISTÓRIA..., 2006).
A CBA – Companhia Brasileira de Alumínio fundada em 1941, detentora de reservas de bauxita em Poços de Caldas (MG), foi outra empresa pioneira na produção do alumínio no país e continua em atividades até os dias atuais. Outras empresas, além destas, participaram do crescimento do setor de produção do alumínio no Brasil.
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Em 1967 com a descoberta das grandes reservas de bauxita na Amazônia, a Alcan Alumínio do Brasil Ltda. criou a MRN - Mineração Rio do Norte S. A., localizada no município de Oriximiná (PA).
A MRN, que opera nas áreas de exploração e comercialização da bauxita, posteriormente, foi transformada num consórcio de empresas nacionais e estrangeiras em 1974. As empresas associadas e suas respectivas participações são: a CVRD - Companhia Vale do Rio Doce S. A. (41%), Alcan (19%), CBA (10%) e mais seis empresas internacionais, entre elas a Reynolds e a Billiton, com 5% de participação cada uma delas. (HISTÓRIA..., 2006).
A Valesul Alumínio S. A., quarta empresa produtora de alumínio primário no Brasil, localizada em Santa Cruz no Rio de Janeiro (RJ), criada por iniciativa da CVRD e da Billiton Metais S. A. (hoje BHP Billiton Metais S. A.), iniciou suas operações em 1982, encerrando o período de importações de alumínio.
Em 1984, a Alumar - Consórcio de Alumínio do Maranhão, formado pelas empresas Billiton Metais S. A., Alcoa Alumínio S. A. e Alcan Alumínio do Brasil Ltda. (hoje Novelis do Brasil Ltda.), localizada no Distrito Industrial de São Luís (MA), iniciou a produção de alumina e de alumínio primário para exportação.
Em 1985, a Albras - Alumínio Brasileiro S. A., um consórcio entre a NAAC - Nipon Amazon Aluminium Co. Ltd. e a Aluvale (Vale do Rio Doce Alumínio), localizada no município de Barcarena (PA) iniciou suas operações de produção de alumínio primário em lingotes para exportação. (HISTÓRIA..., 2006).
A CBA, Alcan, Alcoa, Valesul, Alumar e Albras são as principais empresas que constituem o setor de produção do alumínio primário no Brasil, incluindo a extração e processamento químico da bauxita para obtenção da alumina.
O Brasil a partir de 1983 deixou de ser um grande importador de alumínio para tornar-se o sexto maior produtor mundial de alumínio primário. Atualmente, é um dos principais exportadores de alumínio e seus produtos para os Estados Unidos, Japão, Holanda e Bélgica, além de bauxita para os Estados Unidos, Canadá e Irlanda e de alumina para a Noruega, Canadá e Argentina. (ANUÁRIO..., 2005).
grandes reservas de bauxita no Brasil de excelente qualidade, estimadas em cerca de 3,52 bilhões de ton, 2) os grandes investimentos em expansão e melhorias técnicas nos processos produtivos realizados pelos consórcios de empresas, operando no país e 3) o baixo consumo per capta nacional de alumínio (média de 4,4 kg/hab/ano contra 32,4 kg/hab/ano na Alemanha e Japão e 29,4 kg/hab/ano nos Estados Unidos), média esta que tem garantido o excedente disponível para exportação. (ANUÁRIO..., 2005).
1.3 PRODUÇÃO E CONSUMO DO ALUMÍNIO - TENDÊNCIA MUNDIAL
Segundo Subodh et al. (2004), estudos recentes realizados nos Estados Unidos concluíram que a tendência mundial com relação ao consumo de alumínio é continuar crescendo durante os próximos 20 ou 30 anos, para atender a crescente demanda, principalmente, da indústria automobilística e em menor escala do setor de embalagens, da construção civil e de outros setores industriais em desenvolvimento.
A tendência mundial com relação a indústria primária do alumínio, de acordo com os estudos de Subodh et al. (2004), tem sido a incorporação de pequenas empresas por grandes multinacionais, que estão se instalando nos países detentores de reservas de bauxita e com capacidade de geração de energia a um menor custo.
Essa tendência está sendo confirmada no caso do Brasil, com a instalação dos grandes consórcios de empresas multinacionais no país, detentor de enormes reservas de bauxita e grande potencial de geração de energia hidroelétrica.
Por outro lado, nos Estados Unidos, a produção de alumínio primário em dez anos (1992 a 2002) diminuiu da ordem de 33%, enquanto a produção mundial nesse mesmo período cresceu a uma taxa média da ordem de 3,1% ao ano, com os maiores crescimentos ocorrendo no Canadá, Rússia e China. (SUBODH et al., 2004).
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No período de 40 anos (1960 a 2000), o crescimento da produção de alumínio reciclado nos Estados Unidos cresceu cerca de 760%, um crescimento médio em torno de 19,0% ao ano, passando de 4,01x105 ton para 3,45x106 ton. A tendência até 2020 é a oferta de alumínio naquele país ser constituída por 100% de alumínio secundário, oriundo de sucata velha (ou alumínio pós consumo) e sucata nova gerada nos processos de fabricação e refusão de lingotes primários importados.
No Brasil em 2004, a quantidade de alumínio reciclado de vários tipos (sucata recuperada) representou cerca de 38% do consumo interno em produtos transformados de alumínio, enquanto a média mundial foi de 29% no mesmo período. (ANUÁRIO..., 2005).
1.4 LIGAS DE ALUMÍNIO - CONSIDERAÇÕES GERAIS
Elementos de liga são geralmente adicionados ao alumínio para aumentar a sua resistência mecânica. Segundo Dean (1990), existe um grande número de elementos químicos, mais de cem, que em princípio, podem ser adicionados ao alumínio em diversas combinações, para formarem um grande número de ligas (da ordem de milhões), no entanto, são poucos os elementos formadores de ligas de alumínio com algum interesse comercial.
O cobre, o magnésio, o silício, o zinco e o manganês, são os principais elementos, que formam as ligas de alumínio comerciais mais importantes. Além destes, outros elementos, também, são formadores de ligas de alumínio, porém, de uso mais restrito como, por exemplo, o estanho e o lítio. (DEAN, 1990).
Além dos elementos de liga, outros elementos podem ser adicionados às ligas de alumínio com alguma função específica como, por exemplo, o zircônio, que aumenta a temperatura de recristalização e controla o tamanho de grão das ligas Al-Zn-Mg, a prata, que aumenta consideravelmente a resistência mecânica das ligas Al-Cu-Mg solubilizadas e envelhecidas, entre tantos outros exemplos. (DEAN, 1990).
As ligas fundidas ou para fundição foram divididas em dois subgrupos:
a) Ligas fundidas não endurecíveis por solubilização. Constituídas pelo alumínio comercialmente puro (99,0% mín. de Al) e pelas ligas básicas binárias das séries (ou famílias) Al-Si e Al-Mg.
b) Ligas fundidas endurecíveis por solubilização e precipitação. Constituídas pelas ligas básicas binárias das séries (ou famílias) Al-Cu, Al-Zn e Al-Sn, mais as ligas ternárias das séries Al-Si-Mg e Al-Si-Cu e as ligas quaternárias da série Al-Si-Cu-Mg.
Algumas ligas das séries Al-Si-Mg e Al-Si-Cu não são tratáveis termicamente por solubilização e precipitação e pertencem ao primeiro subgrupo (SICHA, 1990; DAVIS, 2002d).
As ligas trabalhadas também foram divididas em dois subgrupos:
c) Ligas trabalhadas não endurecíveis por solubilização e precipitação. Constituídas pelo alumínio comercialmente puro (99,0% mín. de Al) e pelas ligas básicas binárias das séries (ou famílias) Al-Mn, Al-Si e Al-Mg.
d) Ligas trabalhadas endurecíveis por solubilização e precipitação. Constituídas pelas ligas básicas binárias das séries (ou famílias) Al-Cu e Al-Zn, mais as ligas ternárias da série Al-Mg-Si. (SICHA, 1990).
O aumento da resistência mecânica das ligas de alumínio trabalhadas, que apresentam uma certa ductilidade, em geral, é conseguido por meio de processos e procedimentos térmicos ou mecânicos, ou combinações envolvendo processos térmicos e mecânicos, capazes de criar barreiras que interferem e restringem o movimento de discordâncias. (HIRTH, 1996).
Os métodos mencionados a seguir, ou combinações entre eles, são os mais comuns utilizados para aumentar a resistência mecânica das ligas de alumínio. (DEAN, 1990; CHENG; ZHAO, 2005).
a) Endurecimento por solução sólida. Em que a simples presença do elemento de liga, dentro dos seus limites de solubilidade na estrutura cristalina do alumínio, interfere no movimento das discordâncias. No entanto, o grau de endurecimento da liga depende do tipo de soluto e da quantidade existente em solução sólida;
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segunda fase incoerente, durante a solidificação, geralmente, um composto intermetálico duro e frágil, dentro da fase contínua da matriz alumínio. Neste caso, a interface incoerente precipitado-matriz restringe o movimento das discordâncias;
c) Endurecimento por precipitação. Elementos de liga dissolvidos numa solução sólida supersaturada são precipitados na forma de partículas submicroscópicas coerentes dentro da matriz.
d) Endurecimento por refino de grão. A equação experimental de Hall-Petch correlaciona o aumento das propriedades mecânicas dureza e tensão de escoamento com o refino de grão. Conrad e Christ (1963) verificaram um aumento da densidade de discordâncias com a redução do tamanho de grão, em amostras de ferro policristalino de alta pureza, para uma mesma porcentagem de deformação.
e) Endurecimento por deformação (ou encruamento). As operações de deformação plástica a frio aumentam a concentração de defeitos na estrutura cristalina da liga, multiplica-se a quantidade de discordâncias, e esse aumento da densidade de discordâncias interfere e restringe o movimento das próprias discordâncias.
Segundo Di Russo et al. (1973) todo processo metalúrgico, que envolve uma combinação de deformação plástica e tratamento térmico, sem a ocorrência de variações alotrópicas, é denominado tratamento mecânico térmico (TMT). No caso das ligas de alumínio, os processos envolvendo uma combinação de deformações plásticas e precipitação são considerados tratamentos termomecânicos (TTM).
Os métodos de endurecimento por deformação plástica e precipitação são muitas vezes empregados conjuntamente como, por exemplo, ocorre com algumas ligas da série Al-Cu, que são deformadas a frio na condição solubilizada, com a finalidade de melhorar a resposta ao processo posterior de endurecimento por precipitação. (HUNSIKER, 1990).
1.5 JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS DO TRABALHO
1.5.1 Justificativa
Segundo Sanders Jr. et al. (2004), durante os últimos 25 anos houve um crescente aumento da quantidade de embalagens de alumínio no mercado e de novos produtos, para a indústria automobilística, assim como também para outros setores industriais.
O maior crescimento no consumo das ligas de alumínio não tratáveis termicamente tem sido no setor de transportes, cujo volume de chapas e folhas praticamente duplicou durante os últimos dez anos. (SANDERS Jr. et al. 2004).
O desenvolvimento de novas ligas não tratáveis termicamente ou a modificação de ligas já existentes tem sido uma preocupação constante dos fabricantes de chapas, para atender a crescente necessidade de aumento da resistência mecânica e da alta produtividade dos processos de fabricação, além de outras características às vezes igualmente importantes como, por exemplo, a aparência do produto final.
Para Sanders Jr. et al. (2004), os parâmetros mais importantes para a seleção de uma liga já existente ou para orientar o desenvolvimento de uma nova liga não tratável termicamente são a resistência mecânica, a conformabilidade (ou ductilidade) e as características superficiais da chapa. A conformabilidade determina a complexidade e a produtividade de uma linha de produção, enquanto as características superficiais da chapa determinam a aparência e a qualidade do acabamento do produto final. Essas propriedades dependem da aplicação específica da liga, e aplicações que exigem alta resistência, em geral, não requerem alta conformabilidade ou qualidade da superfície.
Na construção civil, por exemplo, as chapas devem ter um bom acabamento superficial, para receber pintura posterior, além de razoável conformabilidade e resistência à corrosão. A liga AA 3105 geralmente utilizada, preenche esses requisitos e pode ser produzida pelo processo de reciclagem a partir de sucata.
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Modificações na composição química de ligas tradicionais têm sido objeto de estudos constantes. A liga utilizada na fabricação da tampa das latas de alumínio para bebidas é a liga AA 5182-H19 desenvolvida e registrada pela Aluminum Association em 1967, contendo aproximadamente 4,5% de magnésio e 0,3% de manganês.
Esses elementos foram sendo aumentados gradualmente com o tempo, e quando o magnésio excedeu o limite de 5,0% especificado para a liga original, a Aluminum Association (em 1999) registrou a nova liga AA 5019A, com concentração de magnésio variando de 4,4 a 5,4%. Pequenos aumentos na concentração do cobre, por exemplo, também ocorreu com o objetivo de aumentar a resistência da liga.
Nem sempre modificações na composição química resultam somente em benefícios. Nas ligas Al-Mg da série 5xxx com altos teores de magnésio (acima de 3,5%), por exemplo, o benefício conseguido com o aumento da resistência mecânica são contrabalanceados pela tendência a suscetibilidade a corrosão, se a liga não for corretamente preparada.
Pesquisas recentes mostraram menor resistência á corrosão localizada da liga Al-Mg-Mn-(Zn), à medida que foi aumentado o teor de zinco na faixa de 0,4 a 1,5%.
Pires (2002) estudou os efeitos de adições de zinco (variando na faixa de 0,04 a 0,80%) sobre a resistência mecânica da liga AA 3104, na condição H19. Estudos preliminares realizados pelo autor sobre a resistência à corrosão, para as condições H19 e T8 (laminada a quente, solubilizada a 513 ºC por uma hora, laminada a frio com 85% de redução, seguida de envelhecimento em dois estágios), mostraram um aumento da susceptibilidade à corrosão localizada da liga em ambos os casos, com o aumento do teor de zinco.
No presente trabalho procurou-se modificar a composição química da liga AA3104 produzida pela Novellis do Brasil Ltda., na unidade de reciclagem de latas de Pindamonhangaba (SP), adicionando-se zinco à composição da liga original.
O zinco sendo um dos principais elementos endurecedores das ligas da série 7xxx, sua presença na composição da liga AA3104 transforma essa liga não tratável termicamente numa liga endurecível por solubilização e precipitação.
da espessura do corpo das latas, o que implica em latas mais leves, menor consumo de matéria prima por lata e, consequentemente, uma redução do custo da embalagem. Por outro lado, essa modificação, também, pode contribuir para ampliar o uso dessa liga para novas futuras aplicações estruturais.
A liga AA 3104 escolhida para os estudos desenvolvidos neste trabalho foi a liga universalmente utilizada na fabricação do corpo das latas de alumínio para bebidas, de grande interesse comercial, produzida no país pela Novelis do Brasil Ltda., na unidade reciclagem de Pindamonhangaba (SP), utilizando como matéria prima sucata de latas de alumínio.
1.5.2 Objetivos
Este trabalho teve como objetivos modificar a composição química de uma liga do tipo AA 3104, adicionando-se várias concentrações zinco na faixa de 0,03 a 2,17% (% em peso), e estudar os efeitos do zinco sobre o endurecimento e sobre as propriedades mecânicas da liga, para quatro diferentes rotas de processamento termomecânico.
Para se atingir os objetivos propostos foram necessários:
Inicialmente, desenvolver uma metodologia de trabalho incluindo a preparação da liga, a definição dos parâmetros dos processos térmicos e mecânicos, os procedimentos experimentais adotados para a preparação das amostras e dos corpos de prova, a realização das análises microestruturais e dos ensaios mecânicos.
Em seguida preparar a liga modificada que consistiu em adicionar diversas concentrações de zinco (acima do limite permitido) à composição da liga AA 3104 comercial ternária da série Al-Mn-Mg endurecível por deformação, transformando-a numa liga quaternária Al-Mn-Mg-(Zn) endurecível por deformação e precipitação ou envelhecimento.
2 LIGAS DE ALUMÍNIO
2.1 ELEMENTOS FORMADORES DAS LIGAS DE ALUMÍNIO
Segundo Dean (1990) existem mais de cem elementos químicos na tabela periódica, que podem formar algum tipo de liga de alumínio, no entanto, como muitos desses elementos são considerados raros, outros tóxicos ou nocivos, ou ainda sem interesse comercial, esse total ficou reduzido a poucos elementos.
Os elementos formadores das principais ligas de alumínio comerciais são: o zinco, o magnésio, o cobre, o manganês e o silício. O esquema apresentado na figura 2.1 mostra várias combinações do alumínio com esses elementos e a formação de algumas das principais ligas de alumínio (binárias, ternárias e quaternária). (DEAN, 1990).
Figura 2.1 Ligas de alumínio (binárias, ternárias e quaternária) formadas com os principais elementos de liga. (DEAN, 1990, p.201).
De acordo com Mazzolani (1995), de uma maneira geral, esses elementos de liga apresentam as seguintes características:
O zinco aumenta de forma acentuada a resistência mecânica do alumínio e propicia o endurecimento por precipitação natural e artificial da liga. O cobre também aumenta a resistência mecânica e propicia o endurecimento por precipitação natural, porém, diminui a resistência à corrosão, a ductilidade e a soldabilidade da liga.
O magnésio reduz a temperatura de fusão da liga, aumenta a capacidade de endurecimento por deformação e a resistência à corrosão em água salgada. O silício também diminui a temperatura de fusão da liga, aumenta a resistência mecânica e a ductilidade. O silício quando adicionado juntamente com o magnésio propicia o endurecimento por precipitação da liga.
O manganês aumenta a resistência mecânica do alumínio comercialmente puro, com pequena redução da ductilidade, e melhora à resistência corrosão (RIOS; PADILHA, 2003).
O níquel aumenta a resistência da liga em altas temperaturas; o titânio diminui o tamanho de grão; o zircônio é um elemento considerado estabilizador, que influencia os mecanismos de precipitação; o cromo aumenta a resistência à corrosão sob tensão e o ferro aumenta a resistência do alumínio puro, quando usado em baixas porcentagens. O chumbo é insolúvel no alumínio, formando uma fase eutética abaixo de 658 ºC. Como os processos de trabalho a quente das ligas de alumínio são realizados sempre acima da temperatura de fusão do chumbo, dependendo da quantidade, ele pode provocar a fragilidade a quente. (CARVALHO, 2000).
2.2 SOLUBILIDADE DE DIVERSOS ELEMENTOS QUÍMICOS NO ALUMÍNIO
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Tabela 2.1 Limite de solubilidade de vários elementos químicos no alumínio. Adaptada. (BROWN; WILLEY, 1990, p.26).
Solubilidade no sólido Solubilidade no líquido Elemento Temperatura
(º C) (% em peso) (% at.) (% em peso) (% at.)
Zn 380 82,8 66,4 95,0 88,7
Ag 570 55,6 23,8 72,0 60,9
Ga 30 20,0 8,82 98,9 97,2
Mg 450 14,9 16,26 35,0 37,34
Ge 425 6,0 2,30 53,0 29,5
Cu 550 5,67 2,48 33,15 17,39
Li 600 4,0 13,9 9,9 30,0
Mn 660 1,82 0,90 1,95 0,97
Si 580 1,65 1,59 12,6 12,16
Ti 665 (b) 1,00 0,57 0,15 0,084
Cr 660 (b) 0,77 0,40 0,41 0,21
Cd 650 (a) 0,47 0,11 6,7 1,69
Au 640 0,36 0,049 5,0 0,7
Zr 660 (b) 0,28 0,085 0,11 0,033
Mo 660 (a) 0,25 0,056 0,1 0,03
Pb 660 0,15 0,02 1,52 0,20
Ca 620 < 0,1 < 0,05 7,6 5,25
Sb 660 < 0,1 < 0,02 1,1 0,25
Be 645 0,063 0,188 0,87 2,56
Fe 655 0,052 0,025 1,87 0,91
Ni 640 0,05 0,023 6,12 2,91
Sn 230 <0,01 < 0,002 99,5 97,83
Na 660 (a) < 0,003 < 0,003 0,18 0,21 a) Reações monotéticas. b) Reações peritéticas. Não indicados: reações eutéticas
Não há nenhum elemento químico conhecido com solubilidade total no alumínio no estado sólido. De todos os elementos o zinco tem a maior solubilidade (82,8% em peso). Além do zinco, a prata, o gálio e o magnésio têm solubilidade no alumínio sólido maior do que 10%. O germânio, cobre, lítio, manganês e silício têm solubilidade entre 1 e 10% (em peso). Com exceção do titânio que tem solubilidade igual a 1%, todos os demais elementos mostrados na tabela 2.1 apresentam solubilidade menor do que 1%.
que constitui a base dos tratamentos de endurecimento por solubilização precipitação. (BROWN; WILLEY, 1990).
Os elementos gasosos mais comuns como, por exemplo, o nitrogênio e oxigênio, assim como os halogênios (flúor, cloro, etc.), exceto o hidrogênio, são praticamente insolúveis no alumínio, porém, facilmente podem formar compostos.
A solubilidade do hidrogênio no alumínio sólido a 20 ºC e 860 mm de Hg diminui de forma acentuada com diminuição da temperatura, passando de 2,5x10-2 cm3/100g de alumínio a 600 ºC para 4,0x10-4 cm3/100g de alumínio a 400ºC, uma redução da ordem de seis vezes. As concentrações de hidrogênio nas ligas de alumínio devem permanecer abaixo do seu limite de solubilidade, para não afetarem as propriedades das ligas. (BRANDT, 1990, p.18).
2.3 CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS DE ALUMÍNIO
As ligas de alumínio, em geral, são classificadas de acordo com o processo de fabricação. Usualmente, denominadas ligas leves, foram desenvolvidas para aumentar a resistência mecânica do metal puro alumínio, que apesar da elevada ductilidade e boa resistência à corrosão apresenta baixas propriedades mecânicas. (MAZZOLANI, 1995).
Assim, as ligas de alumínio por conveniência foram classificadas em dois grandes grupos, dependendo do processo de fabricação, ou seja, as ligas trabalhadas e as ligas fundidas ou para fundição (na forma de lingotes ou de produtos). As ligas trabalhadas são aquelas deformadas plasticamente (a quente ou a frio), cuja composição e microestrutura diferem das ligas fundidas ou para fundição, refletindo as diferentes características de cada processo de fabricação.
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2.4 IDENTIFICAÇÃO DAS LIGAS DE ALUMÍNIO
2.4.1 Introdução
Vários países da Europa (Itália, Alemanha, França, etc.) utilizam um sistema alfa numérico para identificação das liga de alumínio, estabelecido pela International Organization for Standardization (ISO). (MAZZOLANI, 1995).
Os Estados Unidos e outros países (Inglaterra e Brasil, por exemplo) utilizam um sistema numérico de identificação das ligas de alumínio, estabelecido pela American National Standards Institute (ANSI) e adotado também pela Aluminum Association (AA). (DAVIS, 2002a).
No Brasil, a Associação Brasileira de Normas Técnicas (2000) adotou um sistema de identificação numérico semelhante e compatível com o sistema da Aluminium Association, segundo a norma NBR 6834.
Neste trabalho será adotado o sistema de classificação e identificação da AA.
2.4.2 Identificação das ligas de alumínio fundidas
As ligas de alumínio fundidas foram agrupadas em famílias ou séries, e cada liga dentro de uma mesma série é identificada por um sistema de quatro dígitos, com o último dígito separado dos três primeiros por um ponto decimal.
Para a série 1xx.x, o primeiro dígito designa alumínio não ligado, comercialmente puro, com composição controlada. Os dois segundos dígitos indicam aproximadamente a porcentagem mínima de alumínio acima de 99%. O quarto dígito colocado após o ponto decimal indica a forma do produto, ou seja, 1xx.0 (produto fundido) e 1xx.1 (lingote). (DAVIS, 2002a). Assim, por exemplo, os lingotes de alumínio puro fundidos AA 100.1 e AA 170.1 têm, respectivamente, 99,0% e 99,7% mínimo de alumínio.
Quadro 2.1 Séries de ligas fundidas e seus principais elementos de liga
Série Principais elementos de liga
1xx.x Alumínio puro, composição controlada (%Al ≥ 99,0)
2xx.x (a) Al-Cu:
3xx.x (b) Al-Si-Mg, Al-Si-Cu, Al-Si-Cu-Mg
4xx.x Al-Si
5xx.x Al-Mg
6xx.x Série não usada
7xx.x (a) Al-Zn
8xx.x (a) Al-Sn
(a) Ligas endurecíveis por precipitação. b) Algumas ligas Al-Si-Mg e Al-Si-Cu não são endurecíveis por precipitação. Não indicadas: Ligas não endurecíveis por precipitação
Para as ligas das séries 2xx.x a 8xx.x, o primeiro dígito designa a série à qual pertence a liga e o seu principal elemento de liga, ou seja, aquele com a maior porcentagem média, exceto naqueles casos em que a composição de uma liga atual representa uma modificação de uma liga previamente registrada. Se a maior porcentagem média for comum a mais de um elemento, quem determina a qual série pertence a liga é o primeiro elemento na seqüência. (DAVIS, 2002a).
Os dois segundos dígitos do número de identificação das ligas não têm nenhum significado especial e servem apenas para identificar diferentes ligas de uma mesma série (DAVIS, 2002a). O quarto dígito colocado após o ponto decimal indica a forma do produto, ou seja, 1xx.0 (produto fundido) e 1xx.1 ou 1xx.2 (lingote). (SICHA, 1990).
Modificações da composição original de uma liga ou dos limites de impurezas do alumínio fundido são indicadas por letras maiúsculas, escritas em ordem alfabética, exceto as letras I, O, Q e X, precedendo o número de identificação da liga ou do alumínio não ligado. (DAVIS, 2002a).
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e a liga AA A319.0 contém 6,0%Si, 3,5%Cu; <1,2%Fe; 0,3%Mg e <0,1%Zn),
diferindo portanto apenas nas porcentagens de ferro e magnésio. (SICHA, 1990).
2.4.3 Designação dos tratamentos térmicos das ligas de alumínio fundidas
A Aluminum Association utilizou um sistema comum de designação para os
tratamentos térmicos das ligas de alumínio fundidas e trabalhadas, exceto para os lingotes fundidos, que geralmente não recebem tratamentos térmicos. O quadro 2.2 apresenta as designações dos tratamentos térmicos mais comuns aplicáveis às ligas fundidas.
Quadro 2.2 Designação dos tratamentos térmicos básicos aplicados às ligas de alumínio fundidas.
Designação Significado
F Conforme fabricado. Indica que não houve nenhum controle especial sobre os parâmetros térmicos do processo.
O Recozido.melhorar a ductilidade e a estabilidade dimensional. Indica que o produto fundido foi tratado termicamente para
T4 Envelhecimento natural.(após a solubilização) foram estabilizadas por precipitação à temperatura Indica que as propriedades mecânicas do produto ambiente.
T5 Envelhecimento artificial.(após a conformação a quente) foram melhoradas por precipitação Indica que as propriedades do produto fundido artificial em temperaturas acima da ambiente.
T6 Envelhecimento artificial.produto (após a solubilização) foram estabilizadas por precipitação em Indica que as propriedades mecânicas do temperaturas acima da ambiente.
T7
Superenvelhecido ou estabilizado. Indica que o produto foi artificialmente
envelhecido (após a solubilização) para proporcionar estabilidade da resistência mecânica e dimensional.
indica uma seqüência de tratamentos térmicos ou mecânicos, ou térmicos e mecânicos, para produzir diferentes condições de endurecimento.
As ligas fundidas não endurecíveis por tratamento térmico de precipitação, em geral, são comercializadas na condição como fabricada e identificadas pela letra "F", ou simplesmente omitindo qualquer sufixo. Uma exceção ocorre com a liga AA 444-T4 (da série Al-Si), que não sendo endurecível por precipitação é tratada na condição T4, para esferoidizar o silício do eutético e melhorar a ductilidade. (SICHA, 1990).
2.4.4 Identificação das ligas de alumínio trabalhadas
Ao contrário das ligas fundidas, as ligas trabalhadas são dúcteis, o que permite um posterior trabalho de conformação mecânica a quente ou a frio, após solidificadas. O quadro 2.3 apresenta as séries de ligas trabalhadas, com os respectivos principais elementos de liga e a identificação daquelas que são tratáveis termicamente.
Quadro 2.3 Séries de ligas trabalhadas e seus principais elementos de liga
Série Principais elementos de liga
1xxx (c) Alumínio puro, composição controlada (%Al ≥ 99,0)
2xxx (a) Al-Cu:
3xxx (c) Al-Mn
4xxx (c) Al-Si
5xxx (c) Al-Mg
6xxx (a) Al-Mg-Si
7xxx (a) Al-Zn
8xxx (b) Al-Li, Al-Sn, Al-Fe, etc.
9xxx Série não utilizada
(a) Ligas endurecíveis por precipitação. b) Várias ligas dessa série são endurecíveis por precipitação. c) Ligas endurecíveis por deformação a frio.
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Para a série 1xxx, o primeiro dígito designa alumínio não ligado, comercialmente puro, com composição controlada. Os dois últimos dígitos indicam aproximadamente a porcentagem mínima de alumínio, que excede 99,0%. Assim, por exemplo, o alumínio comercial AA 1060 tem no mínimo 99,60% de alumínio. (NOCK Jr., 1990). O segundo dígito diferente de zero (inteiros de 1 a 9) indica modificações de uma ou mais impurezas.
O primeiro dígito (2xxx a 8xxx) designa a série à qual pertence liga, de acordo com o seu principal elemento, ou seja, aquele presente com a maior porcentagem média, exceto nos casos em que a composição atual da liga expressa uma modificação da liga registrada previamente. Se a maior porcentagem média for a mesma para mais de um elemento, a série será definida pela seqüência dos elementos obedecendo a ordem: cobre, manganês, silício, magnésio, MgSi2, zinco e outros. (DAVIS, 2002a).
O segundo dígito indica uma modificação da liga. Se for igual a zero, indica uma liga original. Se for diferente de zero (inteiros de 1 a 9) indica modificações da composição original da liga. Os dois últimos dígitos não têm nenhum significado especial e servem apenas para identificar diferentes ligas de uma mesma série. (DAVIS, 2002a).
2.4.5 Designação dos tratamentos térmicos das ligas das ligas trabalhadas
O sistema de designação dos tratamentos térmicos das ligas de alumínio trabalhadas estabelecido pela Aluminum Association é análogo ao utilizado para as
ligas fundidas e, também neste caso, cada designação básica indica uma seqüência de tratamentos térmicos ou mecânicos, ou térmicos e mecânicos, para produzir diferentes condições de endurecimento e combinações de propriedades à liga.
O quadro 2.4 apresenta as designações dos tratamentos térmicos básicos aplicados às ligas de alumínio trabalhadas. A designação de um tratamento térmico segue o número de identificação da liga, como, por exemplo, AA 2024−O. (DAVIS,
Quadro 2.4 Designação dos tratamentos térmicos básicos aplicados às ligas de alumínio trabalhadas.
Tratamento Significado
F Conforme fabricado.sobre os parâmetros térmicos do processo a quente, a frio ou sobre as Indica que não houve nenhum controle especial condições de endurecimento.
O Recozido. Indica que o produto foi tratado termicamente para se obter os menores valores de resistência mecânica.
W
Solubilizado. Indica uma condição instável, após o resfriamento rápido da
liga. Aplica-se somente para as ligas que endurecem por envelhecimento natural (na temperatura ambiente) e deve ser indicado o tempo de envelhecimento (por exemplo, W ½h).
T
Tratado termicamente. Indica uma condição estável após a solubilização,
diferente daquelas obtidas por meio dos tratamentos "F" ou "O". A letra T é sempre seguida por um dígito (inteiro de 1 a 10), para indicar a seqüência dos tratamentos básicos, conforme indicados no quadro 2.5.
Os tratamentos térmicos "F" e "O" podem ser aplicados tanto para as ligas endurecíveis por precipitação como para as ligas endurecíveis por deformação, enquanto que "W" e "T" são aplicados somente para as ligas endurecíveis por precipitação.
As ligas endurecíveis por envelhecimento natural apresentam variações de propriedades após a solubilização mesmo à temperatura ambiente. O envelhecimento natural pode se iniciar de imediato após a solubilização ou após decorrido um certo período de incubação, que varia de uma liga para outra. (HUNSICKER, 1990). Por esta razão indica-se o tempo em que a liga se encontra na condição "W".
2.4.5.1 Designação dos tratamentos térmicos das ligas endurecíveis por precipitação
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Quadro 2.5 Designação dos tratamentos térmicos básicos de endurecimento por precipitação aplicados às ligas de alumínio trabalhadas.
Tratamento Significado
T1 Processamento a quente, seguido envelhecimento natural. Indica que as propriedades mecânicas da liga conformada a quente foram estabilizadas por precipitação expontânea na temperatura ambiente.
T2
Processamento a quente, trabalho a frio seguido de envelhecimento natural. Indica que as propriedades mecânicas da liga (conformada a quente, seguida de trabalho a frio) foram estabilizadas por precipitação expontânea na temperatura ambiente.
T3 Solubilização, trabalho a frio seguido de envelhecimento natural. Indica que as propriedades mecânicas da liga (solubilizada, seguida de deformada a frio) foram estabilizadas por precipitação expontânea na temperatura ambiente. T4 Solubilização seguido de envelhecimento natural. Indica que as propriedades mecânicas da liga solubilizada foram estabilizadas por precipitação à
temperatura ambiente.
T5 Processamento a quente, seguido envelhecimento artificial. Indica que as propriedades da liga conformada a quente foram melhoradas por precipitação artificial em temperaturas acima da ambiente.
T6 Solubilização seguido de envelhecimento artificial. Indica que as propriedades mecânicas da liga solubilizada foram estabilizadas por precipitação artificial em temperaturas acima da ambiente.
T7 Solubilização seguida Superenvelhecimento ou estabilização. Indica que a liga solubilizada foi superenvelhecida artificialmente, para proporcionar a máxima resistência mecânica e melhorar a resistência à corrosão.
T8 Solubilização, trabalho a frio seguido de envelhecimento artificial. Indica que as propriedades mecânicas da liga (solubilizada, seguida de deformada a frio) foram estabilizadas por precipitação em temperaturas acima da ambiente. T9 Solubilização, envelhecimento artificial seguido deformação a frio. Indica que a liga foi solubilizada, endurecida por precipitação artificial, seguida de
endurecimento por deformação a frio. T10
Processamento a quente, trabalho a frio seguido de envelhecimento artificial. Indica que as propriedades mecânicas da liga (conformada a quente, seguida de trabalho a frio) foram melhoradas por precipitação artificial em temperaturas acima da ambiente.
Variações nos tratamentos térmicos básicos de endurecimento são identificadas por dígitos adicionais nas designações apresentadas no quadro 2.5. (DAVIS, 2002a).
tração, e a designação Tx52, analogamente, indica um alívio de tensões por compressão. Em ambos os casos, as deformações são preestabelecidas e dependem do tipo de produto, que segundo Davis (2002a) podem variar por exemplo de 1,5 a 3% para placas e de 1 a 3% para barras, perfis e tubos extrudados. A designação T53 indica que foi aplicado um alívio de tensões ao produto por tratamento térmico. (MAZZOLANI, 1995).
2.4.5.2 Designação do endurecimento das ligas endurecíveis por deformação a frio
Segundo Davis (2002a), o sistema de identificação do estado de encruamento das ligas de alumínio não endurecíveis por precipitação é constituído da letra "H" (iniciais
de hardened), seguida por dois ou mais dígitos. O primeiro dígito indica a seqüência
de operações, o segundo o grau de endurecimento, de acordo com os quadros 2.6 e 2.7.
Quadro 2.6 Designação das operações básicas de endurecimento aplicadas às ligas de alumínio trabalhadas, não endurecíveis por precipitação.
Operação Significado
H1 Endurecida por deformação. Indica que a liga foi endurecida por deformação a frio para obter resistência desejada, sem tratamento térmico posterior. Um segundo dígito indica o grau de endurecimento.
H2
Endurecida por deformação e parcialmente recozida. Indica que a liga foi endurecida por deformação a frio, além do grau de endurecimento desejado e, a resistência foi reduzida ao nível pretendido por meio de um recozimento parcial. Um segundo dígito indica o grau de endurecimento remanescente após o recozimento.
H3
Endurecida por deformação e estabilizada. Indica que a liga foi endurecida por deformação a frio, e suas propriedades mecânicas foram estabilizadas por meio de um tratamento térmico em baixas temperaturas ou pelo calor gerado durante o processo de fabricação. Aplicada-se somente para aquelas ligas com tendência ao amolecimento na temperatura ambiente, se não forem estabilizadas. Um segundo dígito indica o grau de endurecimento remanescente após o tratamento de estabilização.
